基于MCU智能注射裝置 可實(shí)現智能電離子透入療法

電離子透入療法(Iontophoresis )是一種將藥物通過(guò)皮膚滲入人體體內的治療方法。經(jīng)皮膚吸收的藥物是一類(lèi)由電流驅動(dòng)流經(jīng)皮膚的帶電混合物。要注入適當的劑量藥物，就必須有效地控制通過(guò)皮膚的電流?？梢酝ㄟ^(guò)采用一個(gè)自動(dòng)化系統來(lái)實(shí)現這一操作。

電離子透入療法有很多好處。首先，可以對（人體）局部非常高劑量地用藥，而非整體低劑量用藥。其次，局部用藥的副作用要少得多。通過(guò)高劑量用藥，可大大提高藥物的功效。要做到這一點(diǎn)，預先準備特殊配方的藥物，這類(lèi)藥物與電子結合并通過(guò)流經(jīng)皮膚的電流進(jìn)行傳送。在過(guò)去，這需要用到大量的電子元器件和一位訓練有素的護士來(lái)監測電流，并且給藥點(diǎn)滴裝置需要具有必要的安全功能來(lái)保護病人。然而，隨著(zhù)近年來(lái)技術(shù)的進(jìn)步、開(kāi)關(guān)式電源設計和成本有效、高性能的微控制器 （MCU）的出現，使得低成本或一次性輸液器成為可能。本文介紹了如何利用帶混合信號功能的低成本8位PIC12F683微控制器和一些現貨供應的元器件 來(lái)實(shí)現這一概念設計。

實(shí)現

要通過(guò)皮膚注入藥物，注射裝置必須生產(chǎn)生足夠的電壓來(lái)驅動(dòng)電流，以便在要求的給藥時(shí)間段內提供 特定的藥劑注入速率。(設計)的目的在于控制通經(jīng)皮膚的電流，但為了安全起見(jiàn)，應確保設備不會(huì )產(chǎn)生過(guò)高的電壓。否則，注射裝置可能會(huì )脫離患者，擊穿電流通 道。在這種情況下，控制電路將嘗試提高電壓以維持當前的流速，(將注射裝置)重新接上可能會(huì )使患者感覺(jué)到不適。

使用升壓調節器將來(lái)自低電壓電池的電壓逐步提高至足夠的水平，以便讓達到要求的電流流經(jīng)皮膚。選用間斷性升壓穩壓器拓撲結構，因為它不要求處理器在特定時(shí)間提供脈沖，允許通過(guò)電感的電流下降至零。這樣就可以簡(jiǎn)化軟件的開(kāi)發(fā)。

MCU 配置有一個(gè)外部異步復位引腳（主復位/ MCLR）。降低該引腳的電平將復位和喚醒處在低功耗關(guān)斷狀態(tài)（休眠）的微控制器。一旦完成對某次輸液，該軟件馬上進(jìn)入睡眠狀態(tài)。與MCLR引腳相連的按 鈕將線(xiàn)路置低電平，將其從休眠模式中喚醒。當設備從睡眠中醒來(lái)后，開(kāi)始執行來(lái)自復位向量的代碼（程序存儲器中的0x0000），其它復位(包括上電)代碼 也相同。需要管理的輸液量被存儲在內部EEPROM，這主要取決于執行情況和所管理的藥物。該電路使用兩節AA堿性電池為微控制器和開(kāi)關(guān)穩壓器供電。

軟件采用微控制器的內置模擬-數字轉換器（ADC）監控加到皮膚的電壓，并將其與設定閾值進(jìn)行對比。如果加到皮膚的電壓超出了預定值，MCU將停止開(kāi)關(guān) MOSFET，避免將電壓被升太高。這一功能將輸出電壓限制在安全水平，使該設備不至于從(被注射者的)皮膚脫落。預定義限值由軟件設置，但因為加到皮膚 的電壓有可能大于MCU輸入引腳所能承受的電壓或者大于其ADC可以轉換的電壓，所以要對這一數值按比例轉換。外加電壓由圖2中所示的電阻R1和R2換算 至微控制器的電源軌范圍---0~3V。

通常，電離子透入療法所用的電流大小會(huì )隨著(zhù)藥物的不同而變化，并且需要依據特定藥方進(jìn)行確認。電流由PIC12F683的一個(gè)外部電阻R3和一個(gè)內部比較器進(jìn)行控制。通過(guò)定義期望電流，范圍在0.5?4毫安，比較器的閾值被設定在了代碼中。

軟件通過(guò)測試比較器的輸出來(lái)確定電流值。如果電流超出預期值，那么微控制器不會(huì )轉換MOSFET。否則，MOSFET被轉換成升壓，驅動(dòng)更多電流通過(guò)皮膚。輸出電流等于輸入引腳的功率乘以轉換器的效率，再除以輸出電壓，如以下公式所示：

輸液持續的時(shí)間由一個(gè)內置的16位硬件定時(shí)器和一個(gè)16位軟件定時(shí)器來(lái)控制。當達到預期劑量時(shí)，微控制器停止轉換MOSFET并進(jìn)入睡眠狀態(tài)，再等待下一次按鈕來(lái)啟動(dòng)。為了增加患者的舒適度，在上電順序期間的輸出電壓上升速度可以調節。

1、軟件流程圖詳細說(shuō)明了這一過(guò)程。

2、從電路原理圖可見(jiàn)設計的簡(jiǎn)潔性

在電路原理圖（圖2）中，Q1是主要開(kāi)關(guān)晶體管。MOSFET Vds擊穿和D1的擊穿電壓應大于電路的最大預期輸出電壓。當微控制器檢測到輸出電流低于預期大小時(shí)，它會(huì )快速地連續四次對MOSFET加脈沖以提高電壓 輸出。這四個(gè)脈沖將產(chǎn)生更大電流和加速負荷下的上升時(shí)間?；蛘?，可用PWM驅動(dòng)MOSFET，這樣允許來(lái)自升壓電路的更高輸出。R6/C6為電流檢測網(wǎng) 絡(luò )。

由于PIC12F683體積小、成本低、配置有內部ADC、固定基準電壓、集成比較器、PWM、硬件定時(shí)器和內部EEPROM，所以它被本設計選定為MCU。使用固定參考電壓可省去調節器或外部參考電壓，使該設計可做成一個(gè)8引腳器件以便進(jìn)一步降低成本。

該設計還包含兩個(gè)用于用戶(hù)界面的LED，一個(gè)連接至復位部件的啟動(dòng)按鈕。

測試結果

在測試過(guò)程中，捕捉到了如圖3和4所示的波形。

采用一個(gè)10K負載時(shí)的啟動(dòng)波形。

采用一個(gè)20k負荷時(shí)的啟動(dòng)波形。

用一個(gè)1μF的陶瓷電容器作為輸出電容，電壓紋波如圖5所示。

采用一個(gè)20K負載時(shí)的調整輸出波形。